Охлаждение намагничивающегося шара в магнитной жидкости

Магнитная жидкость — это удивительный и загадочный новый материал. В 50-х годах ученые пытались получать магнитоуправ-ляемые материалы с использованием порошков ферромагнетиков. Создание магнитных жидкостей относится к середине 60-х годов. Современные магнитные жидкости получены методами физической химии в виде коллоидных растворов магнитных частиц однодоменного размера, обладающих постоянным магнитным моментом. В последние годы возрос интерес к практическому использованию коллоидных магнитных жидкостей. Это связано с их магнитоуправляемостью, и, помимо этого, всеми свойствами обычных жидкостей. Уникальные свойства магнитных жидкостей позволяют создавать современные новые и оригинальные устройства с неожиданными конструктивными решениями. Магнитные жидкости нашли широкое применение в различных отраслях медицины, техники, машиностроения, науки и т. д. В медицине магнитные жидкости применяются при операциях, для локальной доставки лекарств, лечения злокачественных опухолей. С помошню магнитных жидкостей можно добиться существенного улучшения условий работы отдельных узлов машин, таких как уплотнения, в механизмах передачи движения, демпферах, подшипниках и других ответственных деталях машиностроения. Магнитные свойства, которыми обладают магнитные жидкости обусловлены дисперсной фазой ферриили ферромагнетиков. Дисперсионная среда в магнитных жидкостях используется в зависимости от назначения магнитных жидкостей. Магнитные жидкости изготавливаются на основе минеральных и синтетических масел, воды, углеводородных, кремнийорганических и фторорганических носителей. Для устойчивости магнитных компонентов используется стабилизирующая среда в разных случаях разная. Это зависит от вида основы, магнитной фазы и назначения магнитной жидкости. Наиболее широкое распространение, как стабилизирующие среды, нашли жирные кислоты.

Своеобразие магнитной жидкости заключается в сочетании нереализуемых в других материалах свойств, таких как текучесть и сильная магниточувствительность. Магнитоуправляемость магнитных жидкостей является ключевым свойством. Ученые разных стран мира около 40 лет интенсивно экспериментально и теоретически изучают магнитные жидкости. Этому свидетельствует ежегодно проводимые различные международные конференции, связанные с проблемами магнитных жидкостей. Исследуется воздействие магнитного поля на процессы образования агрегатов частиц в магнитных жидкостях, магнитные, оптические, теплои массообменные процессы, в частности, на диффузию магнитных частиц, кондуктивный и конвективный механизмы теплообмена. До 80-х годов теплообмен в магнитных жидкостях при кипении был одним из наименее изученных направлений в теплофизике магнитных жидкостей. Вначале 80х годов был поднят вопрос о применении магнитных жидкостей в качестве охлаждающих сред для оптимизации высокотемпературных технологических процессов, таких, например, как закалка стали.

Настоящая работа направлена на разработку теплофизических основ наиболее эффективных методов закалки изделий шарообразной формы.

Как известно, закалка — это распространенная в технике форма термической обработки веществ, приводящая вследствие их предварительного нагрева и последующего весьма быстрого охлаждения к закреплению структурных состояний, несвойственных данному веществу при обычной температуре.

Цель закалки заключается в том, что при нагреве до определенных температур в материале происходят своеобразные фазовые превращенияпри последующем кратковременном охлаждении не успевают развиться процессы, приводящие к равновесному состоянию и вещество при используемой температуре остается закаленным, иначе говоря, в неравновесном состоянии переохлаждения.

В качестве технологического процесса промышленное применение имеет закалка металлических сплавов (чаще всего стали), при которой повышается их твердость.

Изменения свойств вещества в результате закалки бывают весьма значительными. Так, например, твердость отожженной углеродистой инструментальной стали, содержащей 1,2% углерода, повышается при закалке от 200 до 600 (по Бринеллю).

Следует отметить, что способность стали подвергаться закалке, стала известна человечеству примерно 3000 лет назад. Более двух тысяч лет результаты закалки связывали исключительно со свойствами закалочной жидкости: одним жидкостям приписывали закаливающие способности, другим — нет.

Только в 1868 году Д. К. Чернов открыл существование «критических точек», то есть температур, при которых происходит скачкообразное изменение фазового состояния вещества. На основе этого открытия Д. К. Чернов разработал теорию закалки.

Дальнейшее развитие технологии закалочных процессов связано со многими именами выдающихся ученых. К настоящему времени металловедение — это огромная отрасль знаний. В последние два десятилетия в области закалки появляются и в последующем всесторонне изучаются теплофизические процессы охлаждения твердых тел в магнитных жидкостях.

Здесь особую роль сыграла работа В. В Чеканова и А. Я. Симоновского по применению в качестве закалочных сред различных магнитных жидкостей. Как будет ясно из последующего изложения, управление магнитным полем процессами охлаждения намагничивающихся шаров в магнитной жидкости открывает новые перспективы для создания регулируемой закалки деталей шарообразной формы. Сказанное и определяет актуальность проводимых в диссертации исследований.

Настоящая диссертация выполнялась в Ставропольской государственной сельскохозяйственной академии в 1993;2000 годах в соответствие с планом научно-исследовательских работ академии. В течении ряда лет работа поддерживалась грантами РФФИ № 94−01.

402а, № 96−01−1 747, № 99−01−1 057.

Цель работы — изучить влияние магнитного поля на процессы охлаждения намагничивающихся шаров различного диаметра в магнитных жидкостях различного состава от различных начальных температур нагрева шаров.

Для этого были поставлены следующее основные задачи:

— изучить влияние состава магнитных жидкостей на характер распределения осадка расслоившейся магнитной жидкости по поверхности шара и по характеру осадка оценить температурные интервалы различных режимов кипения магнитной жидкости на разных участках поверхности шара;

— осуществить экспериментальное и теоретическое моделирование впервые обнаруженных локальных паровых образований — паровоздушных полостей, окружающих экваториальную часть поверхности намагничивающегося шара, охлаждаемого в магнитной жидкости;

— провести эксперименты по изучению интенсивности охлаждения различных точек поверхности шара в магнитной жидкости в магнитном поле;

— найти распределение температуры в объеме шара в различные моменты времени охлаждения в магнитной жидкости путем решения задачи теплопроводности при граничных условиях, заданных из эксперимента ;

— определить локальные и интегральные (средние по поверхности) показатели теплопереноса при охлаждении шаров различных диаметров в магнитной жидкости в магнитных полях различной напряженности;

— провести закалку стальных шаров, определить локальную твердость и исследовать локальные изменения микроструктуры в различных точках поверхности шаров, закаленных в магнитной жидкости.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— впервые в результате прямых визуальных наблюдений за распределением осадка расслоившейся магнитной жидкости по поверхности охлаждаемых в магнитной жидкости шаров найдено, что на поверхности горячего шара, погруженного в магнитную жидкость, образуется след паровоздушной полости, опоясывающей экваториальную часть поверхности шара;

— проведен анализ распределения сил магнитного поля, действующих на магнитную жидкость вблизи поверхности шара, позволивший объяснить природу образования локальной паровой полости, опоясывающей экваториальную часть поверхности шара, охлаждаемого в магнитной жидкости;

— впервые проведено экспериментальное и теоретическое моделирование процесса образования паровоздушной полости в объеме магнитной жидкости вблизи экваториальной части поверхности охлаждаемого шара путем наблюдения за поведением свободной поверхности магнитной жидкости, примыкающей к поверхности холодного шара при включенном магнитном поле;

— впервые экспериментально установлено, что интенсивность охлаждения различных точек поверхности шара в магнитной жидкости зависит от координат соответствующих точек поверхности и от величины приложенного магнитного поля, а также показано, что это различие обусловлено распределением давления, действующего на магнитную жидкость в окрестности различных точек поверхности шара;

— решена задача о распределении температуры в шаре, подвергнутом охлаждению в магнитной жидкости, при граничных условиях, найденных из экспериментов, и определены локальные и интегральные показатели интенсивности теплообмена шаров с магнитной жидкостью;

— впервые осуществлена закалка стальных шаров, изготовленных из шарикоподшипниковой стали ШХ15, в магнитной жидкости и экспериментально показано, что в процессе закалки в магнитной жидкости путем изменения величины приложенного магнитного поля можно управлять фазовым составом и твердостью на различных участках поверхности закаливаемых стальных шаров.

На заифсту выносятся:

— результаты экспериментального изучения влияния состава магнитных жидкостей на характер распределения осадка расслоившейся магнитной жидкости на разных участках поверхности шаров в широких температурных интервалах охлаждения;

— результаты экспериментального и теоретического моделирования обнаруженных паровых полостей, закономерно, в соответствии с распределением магнитного поля в системе, расположенных в окрестности экваториальной части поверхности шара, охлаждаемого в магнитной жидкости в магнитном поле;

— результаты теоретического анализа распределения давления в магнитной жидкости, показавшего, что в окрестности одних точек поверхности шара на окружающую шар магнитную жидкость действуют силы, прижимающие ее к поверхности шара, а в окрестности других точек — отталкивающие магнитную жидкость от поверхности шара;

— результаты экспериментов по изучению интенсивности охлаждения различных точек поверхности шара, охлаждаемого в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности, при начальных температурах нагрева выше и ниже точки Кюри материала шара;

— результаты изучения распределения нестационарного поля температур шара, охлаждаемого в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности, а так же результаты расчетов локальных и интегральных показателей теплообмена шаров различного размера с магнитной жидкостью;

— результаты экспериментов по изучению фазового состава и механических характеристик стальных шаров, изготовленных из шарикоподшипниковой стали, закаленных в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности.

Практическая ценность полученных результатов. Экспериментально выявлено, что при использовании магнитной жидкости в качестве закалочной среды и проведении локально-неоднородного охлаждения удается получать локально-неоднородную структуру и разную твердость на различных участках поверхности стальных шаров, закаленных в магнитных жидкостях, без существенных остаточных деформаций, что является основанием для решения важной технической задачи — осуществления бездеформационной закалки с управляемым распределением структуры и твердости в диапазоне 50−63 ед. HRC шарообразных тел, применяемых в различных областях техники.

Достоверность полученных результатов подтверждается: применением при проведении измерений стандартных приборов и оборудованиястатистической обработкой результатов экспериментовкачественным совпадением результатов расчетов, проведенных по известным физико-математическим моделям, с многочисленными экспериментальными данными.

Личное творческое участие автора. Лично автором разработано и изготовлено основное и вспомогательное экспериментальное оборудование, проведены все эксперименты. Автор принимал участие в обсуждении и подготовке к публикации работ.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на научных конференциях СГСХА, г. Ставрополь, 1994;2000 гг.- Seventh International Conference on Magnetic Fluids, Bhavnagar, India, 1995; International Symposium on Microsystems, Intelligent Materials and Robots, Sendai, Japan, 1995; 7-й Международной конференции по магнитным жидкостям г. Плес, 1996 г.- Russian-Japanese Joint Seminar «The Physics and Modeling of Intelligent Materials and their Applications», Moscow, 1996; на Всероссийской научной конференции «Физико-химические проблемы нанотехноло-гий», Ставрополь, 1997 г.- III научной конференции преподавателей, аспирантов и студентов Ставропольского Университета «Актуальные проблемы современной науки», Ставрополь, 1997 г.- 8-й Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям, г. Плес, 1998 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения. Содержит 124 страницы, в том числе 1 таблицу, 41 рисунок, список литературы из 105 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Впервые показано, что одновременно на различных участках поверхности шара могут сосуществовать различные режимы кипения магнитной жидкости — пленочный, переходный и пузырьковый. Участки поверхности шара, на которых реализуются различные режимы кипения магнитной жидкости, распределены регулярно по поверхности шара — в соответствие с распределением магнитного поля в окрестности шара.

2. Найдено, что при охлаждении намагничивающегося шара в магнитной жидкости в магнитном поле в широком температурном интервале охлаждения в объеме окружающей шар магнитной жидкости возникает паровая полость, опоясывающая экваториальную часть поверхности шара, и проведено экспериментальное и теоретическое моделирование этой полости.

3. Показано, что при включенном магнитном поле интенсивность охлаждения точек поверхности, расположенных на полюсах шара, существенно выше, нежели интенсивность охлаждения точек, расположенных на экваторе шара.

4. Проведен анализ распределения давления в магнитной жидкости в окрестности поверхности намагничивающегося шара в магнитном поле, с помощью которого было дано объяснение возникновению паровой полости, опоясывающей экваториальную часть поверхности шара, и различной интенсивности отвода тепла от различных точек поверхности шара при его охлаждении в магнитной жидкости в магнитном поле. Показано, что в окрестности полюсов шара силы магнитного давления прижимают магнитную жидкость к поверхности шара. На этих участках поверхности шара происходит интенсификация теплообмена за счет утончения парового слоя. В экваториальной области шара силы магнитного давления стремятся оттолкнуть магнитную жидкость от поверхности шара. Здесь либо паровая пленка становится толще при пленочном режиме кипения, либо при более низких температурах образуется локальная паровая полость, затрудняющая теплообмен.

5. Установлено влияние начальной температуры нагрева шара на интенсивность охлаждения различных точек его поверхности в магнитной жидкости в магнитном поле и изучено влияние размеров шаров на интенсивность охлаждения их центральной точки в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности. Показано, что при охлаждении ферромагнитного шара в магнитной жидкости в магнитном поле от начальной температуры выше точки Кюри материала шара охлаждение различных точек его поверхности происходит с одинаковой интенсивностью в пределах первых десяти секунд охлаждения. При охлаждении шара от начальных температур ниже точки Кюри уже в первые доли секунды охлаждение различных точек поверхности шара происходит с разной интенсивностью. Найдено, что с уменьшением размеров шаров влияние магнитного поля на интенсивность их охлаждения существенно снижается .

6. Решена задача о распределении температуры в шаре диаметром 44 мм при охлаждении его в магнитной жидкости в магнитном поле при граничных условиях, взятых из экспериментов, и показано, что искажения температурного поля шара, вносимые неоднородным охлаждением его поверхности в магнитной жидкости, быстро убывают в направлении к центру шара. Определены локальные для шара диаметром 44 мм и эффективные (средние по поверхности) для шаров меньшего диаметра коэффициенты теплоотдачи при охлаждении их в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности. Показано, что коэффициенты теплоотдачи на полюсах шара диаметром 44 мм значительно выше, чем на экваторе шара. Найдено, что с уменьшением диаметров шаров при их охлаждении в магнитной жидкости влияние магнитного поля на эффективные коэффициенты теплоотдачи уменьшается.

7. Проведена закалка стальных шаров, выполненных из стали.

Ill.

ШХ15, в магнитной жидкости в магнитных полях различной интенсивности и найдено, что при термической обработке стальных шаров в магнитной жидкости можно добиваться различных механических свойств и различной микроструктуры на разных участках поверхности шаров, что представляет несомненный технологический интерес при производстве шариков в шарикоподшипниковой промышленности, в технологии производства различного рода шарнирных соединений в общем машиностроении и в робототехнике, где используются шаровые соединения, работающие в условиях действия различных нагрузок на разных участках поверхности.